역전기투석 발전기의 전기 에너지 생산 과정(2014, 고3, 4월A)^

염분차 발전이란 해수와 담수의 염분 농도 차이를 통해 전기 에너지를 생산하는 기술로서, 대표적인 방법으로 역전기투석 발전이 있다. 이 방식은 전기를 이용해 염분을 제거하여 해수를 담수로 만드는 전기투석의 원리를 역으로 활용한 것이라고 할 수 있다. 역전기투석 발전기의 기본 구조는 두 개의 전극 사이에 음이온 교환막과 양이온 교환막이 여러 장 번갈아 설치된 형태이며, 다음과 같은 과정을 거쳐 전기 에너지가 생산된다.

먼저 가느다란 기공(구멍)이 뚫려 있는 교환막을 사이에 두고 한쪽은 해수를, 다른 한쪽은 담수를 흐르게 하면 농도 차에 의해 해수에 있는 나트륨 이온(Na+)과 염화 이온(Cl-)은 교환막의 기공을 통해 담수 쪽으로 확산되려고 한다. 이때 농도 차가 클수록 이동하려는 이온의 양은 늘어난다. 그런데 양이온 교환막의 기공에는 음전하를 지닌 작용기*를 여러 개 설치하여 나트륨 이온만을 교환막의 기공으로 끌어들이고, 음이온 교환막의 기공에는 양전하를 지닌 작용기를 여러 개 설치하여 염화 이온만을 교환막의 기공으로 끌어들인다. 

이때 기공 내에 들어온 이온은 일단 한 작용기에 결합하지만 담수 쪽으로 확산하려는 힘에 의해 다시 떨어졌다가 다음 작용기에 재결합하는 과정을 반복한다. 이 과정을 거쳐 양이온인 나트륨 이온은 양이온 교환막을 통하여, 음이온인 염화 이온은 음이온 교환막을 통하여 해수에서 담수로 이동하게 된다. 이를 통해 담수에도 양이온과 음이온이 존재하게 되어, 양이온 교환막을 경계로 나트륨 이온의 농도 차가, 음이온 교환막을 경계로 염화 이온의 농도 차가 발생한다. 이러한 이온의 농도 차는 전기적 불균형 상태라고 할 수 있으므로 교환막을 사이에 두고 전위차, 즉 전압이 발생하게 되는 것이다. 

이때 양이온 교환막과 음이온 교환막 한 쌍을 셀(cell)이라고 하는데, 두 교환막이 각각 전압을 띠고 있고, 그 사이에는 이온이 이동할 수 있는 전해질*이 흐르고 있으므로 셀은 전지와 같은 역할을 하게 된다. 따라서 전극 사이에 셀을 여러 장 배열할수록 높은 전압을 얻게 되는데, 이는 전지 여러 개를 직렬로 연결시킨 효과와 같다. 또한 각 셀에서 발생한 전압은 모두 합쳐지게 되므로, 양 끝에 위치한 두 전극 사이에는 높은 전위차가 발생하게 된다.

일반적으로 두 전극 사이에 전위차가 발생하면 전자가 이동하게 된다. 그러나 배열된 셀들의 양 끝에 위치한 전극에 전위차가 생기더라도 두 극 사이를 이동할 수 있는 전자가 없으므로 전자를 만들어 주어야 한다. 이를 위해서는 산화-환원 반응*이 일어나야 한다. 교환막에서 염화 이온이 이동하는 방향의 끝에 위치한 전극에서는 산화 반응이, 반대의 전극에서는 환원 반응이 잘 일어나게 된다. 따라서 이와 같은 특성을 활용하여 산화 반응이 잘 일어나는 전극에 철 2가(Fe) 이온을 흘려주면 그 이온은 전극에 전자를 넘겨 주고 철 3가(Fe) 이온이 되고, 통로를 통해 반대 전극으로 이동한 후 다시 전자를 넘겨 받아 철 2가(Fe) 이온이 된다. 이와 같이 두 전극을 통해 전자를 넘겨 주고 넘겨 받는 과정이 반복됨으로써 전자는 활발하게 이동하게 되고, 따라서 전류가 발생하게 되는 것이다.

* 작용기: 분해되지 않고 마치 한 원자처럼 행동하는 원자들의 덩어리로 화합물의 성질을 결정함.

* 전해질: 전기를 통하게 하는 물질.

* 산화-환원 반응: 산화란 전자를 넘겨 주는 것을, 환원이란 전자를 넘겨 받는 것을 의미함.